ECMWF細網格模式2m溫度在新疆及周邊地區(qū)的預報效果檢驗

劉春風，徐歡，宋雪明，李阿橋，張定文

（1.昌吉州氣象局，新疆昌吉 831100；2.伊犁州氣象局，新疆伊寧 835000；3.呼圖壁縣氣象局，新疆呼圖壁 831200）

ECMWF細網格模式2m溫度在新疆及周邊地區(qū)的預報效果檢驗

劉春風1，徐歡1，宋雪明2，李阿橋1，張定文3

（1.昌吉州氣象局，新疆昌吉 831100；2.伊犁州氣象局，新疆伊寧 835000；3.呼圖壁縣氣象局，新疆呼圖壁 831200）

對2013年1—12月ECMWF細網格模式2m溫度在新疆及周邊地區(qū)的預報效果進行了統(tǒng)計檢驗。結果表明：ECMWF細網格模式2m溫度預報為系統(tǒng)性偏高，預報效果隨預報時效的延長而逐漸變差。72 h內溫度預報的絕對誤差小、預報準確率高，對實際溫度預報有很好的指導作用；96～168 h溫度預報的絕對誤差較小，預報準確率較高，對實際溫度預報具有參考價值；192～240 h溫度預報的絕對誤差大、預報準確率低，對實際溫度預報參考價值不大。溫度預報精度在蒙古國西部最低，北疆盆地次之，南疆盆地最高。

ECMWF細網格；2m溫度；統(tǒng)計檢驗；系統(tǒng)誤差；預報準確率

經過一個多世紀的數值天氣預報理論研究和半個多世紀的業(yè)務化應用實踐，數值天氣預報已成為現代天氣預報業(yè)務的基礎和天氣預報業(yè)務發(fā)展的主流方向[1]。30多年來，我國氣象工作者在數值預報產品的檢驗及解釋應用方面進行了許多卓有成效的研究和總結[2-8]，持續(xù)地提高了數值預報產品在預報業(yè)務中的應用水平。近年來，國家氣象中心對T213、T639、日本、ECMWF粗網格等數值模式的中期預報性能進行了定期檢驗和發(fā)布[9-15]，為各地預報員了解和掌握各家模式對中高緯環(huán)流形勢、850 hPa溫度趨勢以及地面冷高壓、西北太平洋副熱帶高壓、熱帶氣旋等重要天氣系統(tǒng)的預報能力，提供了可靠的參考依據。各級預報員在制作當地要素預報時，既需要參考數值模式對環(huán)流形勢和天氣系統(tǒng)的預報，更需要參考數值模式的格點要素預報值。這樣，數值模式的格點要素預報精度（如絕對誤差、預報準確率等）就引起了各級預報員廣泛而高度的關注,尤其是ECMWF細網格模式的格點要素預報精度。張俊蘭等對2012年前冬北疆3場暴雪天氣的ECMWF細網格模式大尺度降水預報效果進行了應用檢驗，檢驗結果為北疆暴雪天氣的定點、定時、定量預報提供了一定依據[16]。陳曉紅等將ECMWF細網格模式預報產品應用到安徽大霧預報中，揭示了大霧發(fā)生和維持的物理機制[17]。萬瑜等將ECMWF細網格模式預報產品應用到烏魯木齊東南大風預報中，揭示了烏魯木齊東南大風發(fā)生和維持的物理機制[18]。肖紅茹等用2012年5—8月四川盆地降水實況，對比檢驗了T639和ECMWF細網格模式預報性能的優(yōu)劣，提高了預報員使用這兩種預報產品的能力[19]。然而近期的數值模式預報性能檢驗多是針對天氣系統(tǒng)和天氣現象的天氣學檢驗，針對格點要素預報精度的統(tǒng)計學檢驗[20-22]相對較少。為了提高ECMWF細網格模式（以下簡稱EC模式）2m溫度預報對日最高、最低溫度預報的指導作用，本文對2013年1—12月EC模式2m溫度預報效果進行了統(tǒng)計檢驗，并對2014年1—4月EC模式2m溫度預報進行了訂正前后的對比檢驗。

1 資料與檢驗區(qū)

本文選用中央氣象臺下發(fā)的EC模式20時（北京時）2m溫度資料，有實況分析場（00 h）和預報場（24～240 h），資料時段為2013年1月1日—12月31日及2014年1月1日—4月30日。EC模式水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直分辨率為7層，3～72 h預報的時間分辨率為3 h，72～240 h預報的時間分辨率為6 h。EC模式的預報區(qū)域為60°～150°E，0°～60°N，預報區(qū)內共有87 001個網格點。選取新疆及周邊地區(qū)（73°～97°E，34°～50°N）為預報效果檢驗區(qū)。檢驗區(qū)主要包括中國97°E以西地區(qū)、哈薩克斯坦東部和蒙古國西部。檢驗區(qū)內有6 305個網格點。

2 檢驗方法

用每日20時的00 h分析場為實況資料，24～240 h預報場為預報資料，對EC模式在新疆及周邊地區(qū)的2m溫度預報進行統(tǒng)計檢驗及預報效果分析。誤差率定義為某類（正、負、零）誤差樣本數占總樣本數的百分比。用中短期預報質量評定辦法，對EC模式2m溫度的格點預報精度進行檢驗，用誤差均值、正誤差率、負誤差率、零誤差率，研究分析2m溫度預報的系統(tǒng)性偏向（即：偏高或偏低）。主要有以下三步：（1）對檢驗區(qū)內的每一網格點，計算預報與對應實況間的誤差均值、絕對誤差均值、均方根誤差、預報準確率、正誤差率、負誤差率、零誤差率等7個檢驗統(tǒng)計量。（2）計算檢驗區(qū)的誤差均值、絕對誤差均值、均方根誤差、預報準確率、正誤差率、負誤差率、零誤差率等7個檢驗統(tǒng)計量。（3）研究分析檢驗區(qū)的7個統(tǒng)計量，以及它們隨預報時效的演變特征，得出EC模式2m溫度預報在新疆及周邊地區(qū)的預報精度和整體效果。

2.1計算格點統(tǒng)計量

設Fi為某格點第i天的預報溫度，Oi為某格點第i天的實況溫度，K為1、2，分別代表|Fi-Qi|≤1℃、|Fi-Qi|≤2℃，Nrk為預報正確的天數，N與NfK均為預報的總天數。溫度預報準確率的實際含義是溫度預報絕對誤差≤1℃（2℃）的百分率。主要檢驗公式如下：

2.2 計算區(qū)域統(tǒng)計量

對于一個有m個格點的檢驗區(qū)，當檢驗區(qū)內每個格點有資料的天數相等時，用某一統(tǒng)計量對m個格點求平均的方法求得該統(tǒng)計量的區(qū)域均值。當檢驗區(qū)內出現≥1個格點與其它格點有資料的天數不相等時，就需要用某一統(tǒng)計量對m個格點求加權平均的方法求得該統(tǒng)計量的區(qū)域均值。

其中，F為某一統(tǒng)計量的加權均值，fj為某一統(tǒng)計量在第j格點上的均值，kj為第j個格點fj的樣本數。

3 檢驗結果分析

以區(qū)域平均絕對誤差、均方根誤差、≤1℃和2℃的預報準確率作為EC模式2m溫度的預報精度檢驗指標，統(tǒng)計2013年1月1日—12月31日20時EC模式不同預報時效的區(qū)域平均絕對誤差、均方根誤差、預報準確率（表1）。

表1 新疆及周邊地區(qū)2013年1—12月的平均絕對誤差、均方根誤差、預報準確率

3.1 預報精度與預報時效

平均絕對誤差和均方根誤差隨預報時效的延長而逐漸增大，分別由24 h的0.7℃和1.1℃增加到240 h的3.0℃和4.1℃。預報時效每增加24 h，平均絕對誤差增大0.2～0.3℃，均方根誤差增大0.3～0.4℃。絕對誤差≤1℃和≤2℃的預報準確率隨預報時效的延長而逐漸降低，分別由24 h的77.3%和93.7%下降至240 h的25.6%和46.3%。預報時效每增加24 h，絕對誤差≤2℃的預報準確率下降4%～6%，由此可知EC模式2m溫度的預報精度隨預報時效的延長而逐漸降低。

24～72h預報的平均絕對誤差≤1.2℃，均方根誤差≤1.7℃，絕對誤差≤1℃的預報準確率高于57%，絕對誤差≤2℃的預報準確率高于82%。96～168 h預報的平均絕對誤差≤2.2℃，均方根誤差≤3.0℃，絕對誤差≤1℃的預報準確率高于34%，絕對誤差≤2℃的預報準確率接近60%。192～240 h預報的平均絕對誤差≥2.5℃，均方根誤差≥3.4℃，絕對誤差≤1℃的預報準確率低于32%，絕對誤差≤2℃的預報準確率低于55%。因此，EC模式2m溫度24～72 h預報誤差小、準確率高，對實際溫度預報有很好指導作用，96～168 h預報誤差較小、準確率較高，對實際溫度預報仍有一定的參考價值。192～240 h預報誤差大、準確率低，對實際溫度預報參考價值不大。

3.2 預報精度的地理分布

針對2013年1月1日—12月31日20時EC模式2m溫度預報，圖1給出了檢驗區(qū)內平均絕對誤差的地理分布。圖1a為24～72 h平均絕對誤差分布，圖1b為24～168 h平均絕對誤差分布。圖2給出了檢驗區(qū)內絕對誤差≤2℃的預報準確率的地理分布，圖2a為24～72 h預報的平均準確率分布，圖2b為24～168 h預報的平均準確率分布。

圖1 新疆及周邊地區(qū)2013年1—12月平均絕對誤差的地理分布

圖2 新疆及周邊地區(qū)2013年1—12月絕對誤差≤2℃預報準確率的地理分布

分析新疆及周邊地區(qū)平均絕對誤差的地理分布（圖1）可得：EC模式2m溫度的預報誤差在蒙古國西部最大，24～72 h預報的平均絕對誤差多在1.5～1.8℃，24～168 h預報的平均絕對誤差多在2.1～2.4℃；在北疆盆地次之，24～72 h預報的平均絕對誤差多在1.2～1.5℃，24～168 h預報的平均絕對誤差多在1.8～2.1℃；在南疆盆地最小，24～72 h預報的平均絕對誤差多在0.6～0.9℃，24～168 h預報的平均絕對誤差多在1.2～1.5℃。分析新疆及周邊地區(qū)絕對誤差≤2℃預報準確率的地理分布（圖2）可得：EC模式2m溫度的預報準確率在蒙古國西部最低，24～72 h預報的平均準確率多在70%～75%，24～168 h預報的平均準確率多在55%～60%；在北疆盆地次之，24～72 h預報的平均準確率多在75%～80%，24～168 h預報的平均準確率多在60%～65%；在南疆盆地最高，24～72 h預報的平均準確率多在90%以上，24～168 h預報的平均準確率多在80%以上。

3.3 系統(tǒng)性偏向

在實際預報業(yè)務中，既需掌握數值模式的預報精度，更需掌握數值模式預報的系統(tǒng)性偏向（即：預報與實況相比是系統(tǒng)性偏高還是偏低）。在給定樣本空間中統(tǒng)計格點或區(qū)域的誤差均值時，雖然存在正、負誤差的相互抵消，使得誤差均值不能真實反映預報效果的平均狀況，但從誤差均值符號和正、負、零誤差率的分布特征，可分析出預報誤差的系統(tǒng)性偏向。為進一步分析EC模式對2m溫度預報的系統(tǒng)性偏向，計算2013年1月1日—12月31日20時EC模式不同預報時效的區(qū)域平均誤差、正誤差率、負誤差率、零誤差率（表2）。

表2 新疆及周邊地區(qū)2013年1—12月的平均誤差與誤差率

由平均誤差計算公式和誤差率定義可知：若平均誤差為正，且正誤差率明顯大于負誤差率，則預報為系統(tǒng)性偏高；若平均誤差為負，且正誤差率明顯小于負誤差率，則預報為系統(tǒng)性偏低，若平均誤差為零，且正誤差率等于負誤差率，則預報無系統(tǒng)性偏向。在表2中，所有預報時段上的區(qū)域平均誤差全部為正，且正誤差率（56.4%～63.7%）又明顯大于負誤差率（33.2%～42.4%），由此可知EC模式2m溫度預報為系統(tǒng)性偏高。24～240 h的平均誤差、正誤差率和負誤差率的變化幅度均不大，說明EC模式2m溫度預報效果較為穩(wěn)定。零誤差率隨預報時效的延長而逐漸下降，證明EC模式2m溫度預報效果是隨預報時效的延長而變差。

4 預報訂正

通過EC模式2m溫度的預報精度和系統(tǒng)性偏向的統(tǒng)計分析可知：EC模式2m溫度的預報精度高，但它存在系統(tǒng)誤差，表現為系統(tǒng)性偏高。經過對系統(tǒng)誤差規(guī)律性的分析和研究，發(fā)現EC模式2m溫度預報有訂正提高的空間。

統(tǒng)計2014年1月1日—4月30日EC模式2m溫度預報的7個檢驗參數（表3）。通過多種驗證，選取2013年1—12月各預報時段、各網格點的每個平均誤差為訂正值，對2014年1月1日—4月30日EC模式2m溫度的預報值進行逐一對應訂正（預報值—訂正值），經訂正后的7個檢驗參數見表4。

表3 新疆及周邊地區(qū)2014年1—4月訂正前的7個檢驗參數

對比分析訂正前后的預報精度和系統(tǒng)性偏向可知：訂正后，平均絕對誤差和均方根誤差均減小0～0.2℃，在多數預報時段上減小0.1℃；絕對誤差≤1℃的預報準確率提高0.4%～3.7%，絕對誤差≤2℃的預報準確率提高0.8%～3.1%；正、負誤差率差距明顯縮小（比例接近1:1）；零誤差率略有上升。平均誤差明顯減小（由0.3～0.6℃減小到0.0～0.1℃），多數預報時段上的區(qū)域平均誤差在精度為0.1℃時為零。因此這種訂正是有效的，在一定程度上減小了模式預報產品的系統(tǒng)誤差，對提高EC模式2m溫度預報的參考價值大有幫助，平均誤差可作為EC模式2m溫度預報系統(tǒng)誤差事后訂正的一種方法。

表4 新疆及周邊地區(qū)2014年1—4月訂正后的7個檢驗參數

5 結論

（1）2013年1月1日—12月31日20時，EC模式2m溫度在新疆及周邊地區(qū)的預報精度隨預報時效的延長而逐漸降低。平均絕對誤差由24 h的0.7℃增至240 h的3.0℃，絕對誤差≤2℃的預報準確率由24 h的93.7%降至240 h的46.3%。

（2）在新疆及周邊地區(qū)EC模式2m溫度預報，24～72 h絕對誤差?。ā?.2℃）、絕對誤差在2℃范圍內的預報準確率高（≥82%），對實際溫度預報有很好的指導作用；96～168 h絕對誤差較?。ā?.2℃），絕對誤差在2℃范圍內的預報準確率較高（≥59%），對實際溫度預報具有參考價值；192～240 h預報誤差大、準確率低，對實際溫度預報參考價值不大。

（3）EC模式2m溫度的預報精度在新疆及周邊地區(qū)檢驗區(qū)域內分布不均，主要可分為蒙古國西部、北疆盆地和南疆盆地3個區(qū)域。在蒙古國西部預報誤差最大，預報準確率最低；在南疆盆地預報誤差最小，預報準確率最高；北疆盆地的預報誤差和預報準確率介于蒙古國西部和南疆盆地之間。

（4）用各預報時段各網格點的平均誤差對EC模式2m溫度預報進行訂正。訂正后2m溫度總體預報效果更為理想。在多數預報時段上，平均絕對誤差和均方根誤差均減小0.1℃，預報準確率提高0.4%～3.7%，正負誤差樣本數接近均衡，零誤差樣本數略有增大。因此平均誤差可作為EC模式2m溫度預報系統(tǒng)誤差事后訂正的一種方法。

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Prediction Effect Test of ECMWF Fine Gridmodel for 2meters Temperature in Xinjiangand Its Surroundingareas

LIU Chunfeng1，XU Huan1，SONG Xueming2，LIaqiao1，ZHANG Dingwen3
（1.Changjimeteorological Bureau，Changji 831100，China；2.Yilimeteorological Bureau，Yining 835000，China；3.Hutubimeteorological Bureau，Hutubi 831200，China）

The forecast result of ECMWF fine grid for 2m temperature from January to December 2013 in Xinjiangand its surroundingareas was evaluated.The result showed that ECMWF fine grid for 2m temperature forecast was systematically lower,and the effect became worse with the increase of forecast period.Compared with the statistical tests of theabsolute errors for temperature forecast in 72 h,96～168 hand 192～240 h,theabsolute errorsand precision of forecast within 72 hours which havea certain reference value foractual temperature forecast outperform the other two leading time,followed by the forecasting precision within 96～168 h,and result for 192～240 h forecasting was left behindamong the three predicted time.Inaddition,theaccuracy of temperature prediction showed that the ECMWF fine grid for 2m temperature was best in southern Xinjiang basin,northern Xinjiang basin for the second place,and the lowest in westernmongolia.

ECMWF Fine Grid；2m temperature；statistical test；system error；forecastaccuracy

P456.7

B

1002-0799（2014）06-0010-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.06.002

2014-03-05；

2014-06-06

新疆氣象局科技項目（MS201415）。

劉春風（1965-），男，高級工程師，從事短期天氣預報業(yè)務與研究工作。E-mail：xjcjlcf@163.com

劉春風，徐歡，宋雪明，等.ECMWF細網格模式2m溫度在新疆及周邊地區(qū)的預報效果檢驗[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（6）：10-15.